Calibre Pirani

Sonda Pirani, abierta

El manómetro Pirani es un medidor de conductividad térmica robusto que se utiliza para medir presiones en sistemas de vacío. ^[1] Fue inventado en 1906 por Marcello Pirani . ^[2]

Marcello Stefano Pirani era un físico alemán que trabajaba para Siemens & Halske, empresa que se dedicaba a la industria de las lámparas de vacío. En 1905, su producto eran lámparas de tantalio que requerían un entorno de alto vacío para los filamentos. Los medidores que Pirani utilizaba en el entorno de producción eran unos cincuenta medidores McLeod , cada uno de ellos lleno de 2 kg de mercurio en tubos de vidrio. ^[3]

Pirani conocía las investigaciones sobre conductividad térmica de los gases de Kundt y Warburg ^[4] (1875) publicadas treinta años antes y el trabajo de Marian Smoluchowski ^[5] (1898). En 1906 describió su "vacuómetro de indicación directa" que utilizaba un cable calentado para medir el vacío mediante el control de la transferencia de calor desde el cable al entorno de vacío. ^[2]

Estructura

El manómetro Pirani consiste en un cable sensor de metal (generalmente de tungsteno o platino bañado en oro ) suspendido en un tubo que está conectado al sistema cuyo vacío se va a medir. El cable generalmente está enrollado para que el manómetro sea más compacto. La conexión generalmente se realiza mediante una junta de vidrio esmerilado o un conector metálico con brida , sellado con una junta tórica . El cable sensor está conectado a un circuito eléctrico del cual, después de la calibración, se puede tomar una lectura de presión.

Modo de funcionamiento

Diagrama de bloques del manómetro Pirani

Curvas para convertir lecturas de aire a otros gases

Para entender la tecnología, considere que en un sistema lleno de gas hay cuatro formas en que un cable calentado transfiere calor a su entorno.

1. Conducción de gas a alta presión (r representa la distancia desde el cable calentado) ${\displaystyle E\propto dT/dr}$
2. Transporte de gas a baja presión ${\displaystyle E\propto P(T_{1}-T_{0})/\surd T_{0}}$
3. Radiación térmica ${\displaystyle E\propto (T_{1}^{4}-T_{0}^{4})}$
4. Poner fin a las pérdidas a través de las estructuras de soporte

Un cable metálico calentado (cable sensor o simplemente sensor) suspendido en un gas perderá calor en el gas a medida que sus moléculas colisionen con el cable y le quiten calor. Si se reduce la presión del gas, la cantidad de moléculas presentes disminuirá proporcionalmente y el cable perderá calor más lentamente. Medir la pérdida de calor es una indicación indirecta de la presión.

Hay tres esquemas posibles que se pueden realizar. ^[2]

1. Mantenga constante el voltaje del puente y mida el cambio en la resistencia en función de la presión.
2. Mantenga la corriente constante y mida el cambio de resistencia en función de la presión.
3. Mantenga constante la temperatura del cable del sensor y mida el voltaje en función de la presión.

Nótese que mantener la temperatura constante implica que las pérdidas finales (4.) y las pérdidas por radiación térmica (3.) son constantes. ^[3]

La resistencia eléctrica de un cable varía con su temperatura, por lo que la resistencia indica la temperatura del cable. En muchos sistemas, el cable se mantiene a una resistencia constante R controlando la corriente I que pasa por él. La resistencia se puede ajustar mediante un circuito puente. La corriente necesaria para lograr este equilibrio es, por tanto, una medida del vacío.

El manómetro se puede utilizar para presiones entre 0,5 Torr y 1×10 ⁻⁴  Torr. Por debajo de 5×10 ⁻⁴ Torr, un manómetro Pirani tiene solo un dígito significativo de resolución. La conductividad térmica y la capacidad calorífica del gas afectan la lectura del medidor y, por lo tanto, es posible que sea necesario calibrar el aparato antes de obtener lecturas precisas. Para mediciones de presión más baja, la conductividad térmica del gas se vuelve cada vez más pequeña y más difícil de medir con precisión, y se utilizan otros instrumentos como un manómetro Penning o un manómetro Bayard-Alpert .

Manómetro Pirani pulsado

Una forma especial del manómetro Pirani es el vacuómetro Pirani pulsado , en el que el cable del sensor no funciona a una temperatura constante, sino que se calienta cíclicamente hasta un determinado umbral de temperatura mediante una rampa de tensión creciente. Cuando se alcanza el umbral, se desconecta la tensión de calentamiento y el sensor se enfría de nuevo. El tiempo de calentamiento necesario se utiliza como medida de la presión.

Para una presión adecuadamente baja, se aplica el siguiente modelo de respuesta térmica dinámica de primer orden que relaciona la potencia de calentamiento suministrada y la temperatura del sensor T ( t ): ^[6] ${\displaystyle P_{\text{el}}}$

${\displaystyle P_{\text{el}}=C_{1}\lambda _{\text{gas}}(T(t)-T_{a})+C_{2}\lambda _{\text{fil}}(T(t)-T_{a})+A_{\text{fil}}\epsilon \sigma (T(t)^{4}-T_{a}^{4})+c_{\text{fil}}m_{\text{fil}}{\frac {\mathrm {d} T}{\mathrm {d} t}},}$

donde y son el calor específico y la emisividad del cable sensor (propiedades del material), y son el área de superficie y la masa del cable sensor, y y son constantes determinadas para cada sensor en calibración. ${\displaystyle c_{\text{fil}}}$ ${\displaystyle \epsilon }$ ${\displaystyle A_{\text{fil}}}$ ${\displaystyle m_{\text{fil}}}$ ${\displaystyle C_{1}}$ ${\displaystyle C_{2}}$

Ventajas y desventajas del manómetro pulsado

Ventajas

• Resolución significativamente mejor en el rango por encima de 75 Torr. ^[7]
• El consumo de energía se reduce drásticamente en comparación con los medidores Pirani de funcionamiento continuo.
• La influencia térmica del medidor en la medición real se reduce considerablemente debido al bajo umbral de temperatura de 80 °C y al calentamiento por rampa en modo pulsado.
• El modo pulsado se puede implementar de manera eficiente utilizando microprocesadores modernos.

Desventajas

• Mayor esfuerzo de calibración
• Fase de calentamiento más larga

Alternativa

Una alternativa al medidor Pirani es el medidor de termopar , que funciona según el mismo principio de detección de la conductividad térmica del gas mediante un cambio de temperatura. En el medidor de termopar, la temperatura se detecta mediante un termopar en lugar de mediante el cambio de resistencia del cable calentado.

Referencias

1. Ellett, A. (1931). "El manómetro Pirani para la medición de pequeños cambios de presión". Physical Review . 37 (9): 1102–1111. doi :10.1103/PhysRev.37.1102.
2. von Pirani, M (1906). "Selbstzeigendes Vakuum-Meßinstrument". Deutsche Physikalische Gesellschaft, Verh . 24 (8): 686–694.
3. Borichevsky (2017). Comprensión de la tecnología de vacío moderna . pág. 62. ISBN 9781974554461.
4. Kundt, A.; Warburg, E. (1875). "Ueber Reibung und Wärmeleitung verdünnter Gase". Annalen der Physik und Chemie . 232 (10): 177–211. Código Bib : 1875AnP...232..177K. doi : 10.1002/andp.18752321002.
5. Smoluchowski, Marian (1898). "Temperatursprung in verdünnten Gasen". Ann Phys Chem . 64 : 101.
6. DE 10115715, Plöchinger, Heinz, "Sensor y método para detectar variables de medición y parámetros físicos", publicado el 17 de octubre de 2002  , también descripción
7. Jitschin, W.; Ludwig, S. (2004). "Gepulstes Heißdraht-Vakuummeter mit Pirani-Sensor". Vakuum in Forschung und Praxis (en alemán). 16 : 23-29. doi :10.1002/vipr.200400015.

Enlaces externos

• http://homepages.thm.de/~hg8831/vakuumlabor/litera.htm
• Jitschin, W. (2006), "100 Jahre Pirani-Vakuummeter", Vakuum in Forschung und Praxis (en alemán), 18 (6): 22–23, doi :10.1002/vipr.200690070
• Jitschin, W.; Ludwig, S. (2004), "Gepulstes Pirani-Vakuummeter: Berechnung von Aufheizung und Abkühlung", Vakuum in Forschung und Praxis (en alemán), 16 : 297–301, doi :10.1002/vipr.200400235